Presse de forgeage du type à matrices chaudes et moyen d'isolation thermique pour la presse

L'invention concerne une presse de forgeage du type à matrices chaudes, notamment pour forgeage isotherme, et un moyen d'isolation thermique pour la presse.

Dans le forgeage du type à matrices chaude s, une matrice supérieure est descendue contre une matrice inférieure pour presser progressivement la pièce à forger, les matrices étant chauffées à haute température (typiquement plus de 800°C). Dans ce type de forgeage, le matériau de la pièce à forger se présente, du fait de la température, dans un état correspondant à son domaine de forgeabilité. La durée du forgeage dans le forgeage du type à matrices chaudes est relativement longue, et n'est du moins pas réduite à un instant ponctuel correspondant à un choc. Ce type de forgeage est généralement utilisé pour former des pièces difficiles à forger, par exemple présentant de grandes surfaces ou mettant en oeuvre des matériaux métallurgiquement complexe.

L'invention concerne tout d'abord une presse de forgeage du type à matrices chaudes, et plus précisément une presse pour forgeage isotherme, c'est-à-dire un forgeage dans lequel les matrices et la pièce à forger sont maintenues à une même température, constante, tout au long du procédé de forgeage. L'invention s'applique également au cas plus général du forgeage à matrices chaudes, dans lequel les matrices sont maintenues à une température constante et où la pièce, chauffée avant forgeage à une température supérieure à celle des matrices, se refroidit en cours d'opération.

Une presse de forgeage du type à matrices chaudes comporte généralement une matrice inférieure et une matrice supérieure, soutenues par une table inférieure et une table supérieure de presse, éventuellement par l'intermédiaire d'un plateau de support. La température dans le matériau de la pièce à forger devant être homogène, afin d'éviter l'apparition de défauts de forge tels que replis ou criques, et pour favoriser l'obtention de microstructures performantes dans la pièce, les matrices sont à très haute température (plus de 800°C), tandis que les tables, ou les plateaux intermédiaires, souvent en acier, doivent rester à température basse pour conserver leurs propriétés mécaniques. Il faut par conséquent assurer une bonne isolation thermique entre les matrices et leur table, ou plateau, de support.

A cet effet, l'art antérieur enseigne de prévoir, entre chaque matrice et son élément de support, un moyen d'isolation thermique comportant une succession de plaques (généralement deux à trois) de forte épaisseur en alliages métalliques et de matériaux présentant une faible conductivité thermique, par exemple des céramiques massives telles qu'à base de zircone, silice ou graphite pyrolithique, et possédant une résistance mécanique élevée à haute température.

Le document JP 63 171 239 propose quant à lui de prévoir une couche de matériau céramique (Si₃N₄ ou ZrO₂) entre chaque plaque intermédiaire, agencée selon une structure en colonnes juxtaposées et de section polygonale.

Ces moyens d'isolation présentent une très forte épaisseur, car le gradient thermique entre les matrices et leurs éléments de support est très grand. A titre d'exemple, l'épaisseur d'un tel moyen peut être, pour chaque table d'une presse de 4000 tonnes, de 600 millimètres, soit au total pour la presse 1200 millimètres, ce qui réduit d'autant la hauteur disponible entre les tables pour venir placer la pièce à forger.

Ainsi, il n'est pas toujours possible d'utiliser des presses classiques pour le forgeage du type à matrices chaudes, et il faut leur substituer de nouvelles presses, de plus grandes dimensions, ce qui entraîne une augmentation considérable des investissements et des coûts de production.

De surcroît, ces moyens d'isolation mettent en oeuvre un volume important de matériaux intrinsèquement chers (superalliages à base de nickel, alliages à base de cobalt, céramiques) et difficiles à usiner. Leur coût est donc très élevé.

La demanderesse a cherché à diminuer l'épaisseur des moyens d'isolation pour les presses de forgeage du type à matrices chaudes afin de pallier les inconvénients présentés ci-dessus.

C'est ainsi que l'invention concerne une presse de forgeage du type à matrices chaudes avec une température de fonctionnement supérieure à une température T, comprenant deux matrices entre deux éléments supports de matrice, un moyen d'isolation thermique étant disposé entre chaque matrice et son élément support, caractérisée par le fait que ledit moyen comprend au moins deux couches superposées, une première couche comprenant un premier matériau présentant des propriétés mécaniques et thermiques adaptées pour un fonctionnement à une température supérieure à la température T, une deuxième couche comprenant un deuxième matériau présentant des propriétés mécaniques et thermiques adaptées pour un fonctionnement à une température inférieure à la température T, dont la conductivité thermique est inférieure à celle du premier matériau et est sensiblement égale à 0,2 W/m.K, avec une tolérance de 10%.

Grâce à l'invention, les matériaux à faible conductivité thermique présentant souvent une faible résistance mécanique à haute température, il est possible d'abaisser suffisamment la température grâce à la couche du premier matériau pour que le deuxième matériau se situe dans une zone de température dans laquelle ses propriétés mécaniques sont suffisantes pour son utilisation en presse, ce deuxième matériau permettant d'isoler efficacement, grâce à sa faible conductivité thermique, l'élément de support par rapport à la matrice. L'épaisseur du moyen peut ainsi être faible : il suffit que l'épaisseur de la première couche soit suffisante pour protéger thermiquement la deuxième couche, afin qu'elle conserve ses propriétés mécaniques, qui peut alors être de très faible épaisseur si elle possède une très faible conductivité thermique.

Ainsi, en combinant les propriétés mécaniques et thermiques des deux couches, il est possible de diminuer l'épaisseur du moyen d'isolation thermique situé entre chaque matrice et son élément de support.

De préférence, la température T est égale à 800°C.

De préférence encore, les éléments supports de matrice sont en acier.

De préférence toujours, la presse est agencée pour le forgeage de pièces sous une pression supérieure à 20 MPa.

Avantageusement, le premier matériau présente une conductivité thermique sensiblement égale à 2 W/m.K, avec une tolérance de 10%, en particulier le premier matériau est une céramique.

Avantageusement encore, le second matériau est un papier mica pressé à chaud.

Avec l'emploi de ces matériaux, la demanderesse a pu concevoir un moyen d'isolation, pour une presse de 4000 tonnes, d'épaisseur totale, pour les deux couches, de 100 millimètres, réduisant ainsi de plus de 83% l'épaisseur de l'isolant par rapport à l'art antérieur.

A titre de produit intermédiaire, l'invention concerne également un moyen d'isolation pour la presse de forgeage du type à matrices chaudes définie ci-dessus, se présentant sous la forme d'une plaque qui comprend au moins deux couches superposées, une première couche comprenant un premier matériau présentant des propriétés mécaniques et thermiques adaptées pour un fonctionnement à une température supérieure à la température T, une deuxième couche comprenant un deuxième matériau présentant des propriétés mécaniques et thermiques adaptées pour un fonctionnement à une température inférieure à la température T, dont la conductivité thermique est inférieure à celle du premier matériau et est sensiblement égale à 0,2 W/m.K, avec une tolérance de 10%.

L'invention s'applique particulièrement au forgeage isotherme, mais la demanderesse n'entend pas limiter la portée de ses droits à cette application.

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de la presse de forgeage du type à matrices chaudes et du moyen d'isolation thermique de l'invention, en référence au dessin annexé, sur lequel :

• la figure 1 représente une vue en coupe schématique de la forme de réalisation préférée de la presse de forgeage du type à matrices chaudes de l'invention et
• la figure 2 représente une vue partielle schématique en perspective et en coupe de la forme de réalisation préférée du moyen d'isolation thermique de l'invention.

En référence à la figure 1, la presse 1 de forgeage du type à matrices chaudes de l'invention comporte une table inférieure de presse 2 et une table supérieure de presse 3, située en regard de la table inférieure 2. La table supérieure 3 peut être entraînée en translation verticale par rapport à la table inférieure 2. La table inférieure 2 et la table supérieure 3 supportent chacune un plateau intermédiaire, inférieur 4 et supérieur 5, respectivement, ici en acier.

Chaque plateau intermédiaire 4, 5 supporte une matrice, inférieure 7 et supérieure 8, respectivement, de maintien et de pressage d'une pièce 9 à forger. La pièce à forger 9 comprend typiquement un alliage métallique, nécessitant l'emploi d'un procédé de forgeage du type à matrices chaudes. Dans le cas d'espèce considéré, il s'agit d'un forgeage isotherme. Des moyens d'isolation latérale, non représentés et bien connus de l'homme du métier, permettent la mise en oeuvre d'un tel procédé.

Un moyen 6, 6' d'isolation thermique est logé entre chaque plateau 4, 5 et la matrice 7, 8 qu'il supporte. Les deux moyens d'isolation thermique 6, 6' sont ici identiques et se présentent sous la forme d'une plaque de forme parallélépipédique à base polygonale, adaptée à la géométrie du plateau 4, 5 et de la matrice 7, 8 entre lesquels ils sont logés, tournés dans un sens ou dans l'autre selon qu'ils sont en position inférieure (6) ou supérieure (6'). La forme des plateaux, matrices et moyens d'isolation thermique est ici donnée à titre indicatif et n'est pas limitative. Les plateaux et matrices pourraient comporter une section circulaire ou polygonale, les moyens d'isolation se présentant alors sous la forme d'une plaque à base circulaire ou polygonale adaptée.

Les matrices 7 et 8 sont chauffées à une température élevée T, par exemple, pour une pièce à forger 9 en alliage de titane ou en alliage de nickel, supérieure à 800°C, par des moyens de chauffage appropriés, par exemple des résistances électriques, non représentées.

En référence à la figure 2, chaque moyen 6, 6' d'isolation thermique comporte deux couches isolantes A et B empilées, comportant des matériaux différents. La première couche A comporte un premier matériau, en l'espèce une céramique, plus précisément une céramique monolithique de type zircone, qui présente une première conductivité thermique. Cette céramique est en l'espèce stabilisée à la magnésie (MgO). Plus la conductivité thermique d'un matériau est faible, plus ce matériau possède une grande capacité d'isolation thermique. La deuxième couche B comporte un deuxième matériau, en l'espèce du mica, plus précisément du mica commercialisé sous la marque déposée Pamitherm, présentant une deuxième conductivité thermique. Chaque moyen d'isolation thermique 6, 6' permet d'assurer, grâce à ses deux couches empilées A, B, une fonction d'isolation thermique entre une matrice 7, 8 et son plateau intermédiaire de support 4, 5. La première couche A est située du côté de la matrice 7, 8, la deuxième couche B du côté du plateau intermédiaire 4, 5. La conductivité thermique de la deuxième couche B est inférieure à la conductivité thermique de la première couche A.

La première couche A comprend ici une juxtaposition de colonnes 10 de céramique, de section polygonale ou circulaire. Les colonnes 10 sont ici de forme cylindrique. Ces colonnes peuvent être parfaitement imbriquées les unes aux autres, comme dans le document JP 63 171 239 cité plus haut, ou, comme dans le cas d'espèce considéré, séparées par des cloisons 11, ou matériau de remplissage 11, comprenant un autre matériau, tel qu'un isolant fibreux du type laine de roche, approprié. Ce type de combinaison entre des colonnes de céramique 10 et un matériau de remplissage 11 isolant thermique est bien connu de l'homme du métier de l'isolation thermique. Les colonnes cylindriques 10 sont ici décalées les unes par rapport aux autres afin de limiter les espaces entre elles. Le matériau céramique monolithique du type zircone possède de très bonnes caractéristiques mécaniques, notamment de résistance, jusqu'à près de 1200°C et conserve donc bien ses propriétés mécaniques à la température T de travail des matrices 7 et 8, ici supérieure à 800°C. Sa conductivité thermique est en l'espèce sensiblement égale à 2 W/m.K, avec une tolérance de 10% (il s'agit en l'espèce de la conductivité thermique de la première couche A, c'est-à-dire de la combinaison des colonnes de céramique 10 et du matériau de remplissage 11). Les colonnes 10 sont agencées de façon à obtenir une parfaite planéité des surfaces inférieure et supérieure de la première couche A, les efforts étant ainsi répartis de manière homogène.

La deuxième couche B se présente ici sous la forme d'une couche stratifiée de feuilles de mica pressées à chaud. Le mica présente une très faible conductivité thermique, en l'espèce sensiblement égale à 0,2 W/m.K, avec une tolérance de 10%, mais sa résistance mécanique décroît fortement au-delà d'une température inférieure à T, en l'espèce à partir de To = 750°C. Si la température à laquelle elle est soumise est inférieure à To, la deuxième couche B peut résister à son utilisation en presse et possède une très bonne capacité d'isolation thermique.

Dans chaque moyen d'isolation 6, 6', les deux couches A et B sont en contact suivant l'une de leurs surfaces, notée S1 pour les deux, la couche B est en contact avec le plateau intermédiaire 4, 5 suivant une surface S3, et la couche A est en contact avec la matrice 7, 8 suivant une surface S2.

La couche A de céramique protège mécaniquement la couche B de mica de la haute température T de la matrice 7, 8, qui est celle de la surface S2, température pour laquelle la couche A de céramique conserve ses propriétés mécaniques, son épaisseur étant agencée de sorte que, du fait de sa conductivité thermique, la température de la surface S1 soit inférieure à To, en l'espèce environ égale à 550°C, c'est-à-dire corresponde à une température pour laquelle la couche B de mica conserve une résistance mécanique suffisante à son utilisation dans une presse. La couche B permet, quant à elle, un fort abaissement de la température entre sa surface S1 et sa surface S3, du fait de sa faible conductivité thermique. La température de la surface S3 est ici environ égale à 300°C.

Autrement dit, les deux couches A, B sont choisies en fonction de leurs propriétés mécaniques et thermiques relatives et positionnées relativement aux matrices 7, 8 de façon à permettre l'utilisation d'une deuxième couche B de faible conductivité thermique, conservant ses propriétés mécaniques grâce à l'isolation opérée par la première couche A par rapport à la matrice 7, 8.

Pour que la surface S1 soit à une température inférieure à To, il est nécessaire que l'épaisseur de la première couche A, compte tenu de sa conductivité thermique, soit au moins égale à une épaisseur donnée minimale Ha. Pour une presse de 4000 tonnes, cette épaisseur Ha peut être inférieure à 80 millimètres. La section des colonnes 10, si elle est carrée ou rectangulaire, peut par exemple dans ce cas présenter des côtés de longueur égale à 40 à 60 millimètres environ. Si la section des colonnes 10 est circulaire, son diamètre peut être de l'ordre de 60 millimètres.

L'épaisseur de la deuxième couche B est choisie au moins égale à une hauteur Hb minimale pour, compte tenu de sa conductivité thermique, abaisser la température de la surface S3 à une température acceptable pour le plateau intermédiaire 4, 5. Dans l'exemple ci-dessus, Hb peut être inférieure à 20 millimètres.

Les épaisseurs Ha et Hb sont bien sûr choisies les plus faibles possibles, mais de façon à être suffisantes pour remplir leur fonction d'isolation qui vient d'être décrite, en fonction de températures que l'homme du métier déterminera.

L'épaisseur totale (Ha + Hb) du moyen d'isolation ainsi obtenu peut être, pour une presse de 4000 tonnes, inférieure à 100 millimètres par matrice, soit 200 millimètres au total pour les deux moyens. Les dimensions, et notamment l'épaisseur, de l'ensemble constitué par les tables, leur plateau intermédiaire et la matrice qu'elles supportent sont ainsi grandement diminuées. Il est donc possible de mettre en oeuvre un procédé de forgeage du type à matrices chaudes sur des presses classiques, sans avoir à augmenter leurs dimensions et en autorisant un espace en hauteur entre les matrices suffisant par la disposition de la pièce à forger 9.

Les deux couches A et B peuvent être, soit simplement superposées l'une sur l'autre, soit solidarisées de manière adéquate. Il peut être prévu une liaison mécanique entre elles, par exemple à l'aide de tirants, traversant les couches A et B, accrochés au plateau 4, 5 et à la matrice 7, 8 correspondante, respectivement.

Le fonctionnement de la presse 1 pour un procédé de forgeage du type à matrices chaudes est par ailleurs tout à fait classique, la table supérieure 3 étant abaissée pour presser la pièce à forger 9 entre les deux matrices 7, 8.